Hydraulika z drukarki

Zobacz także:Pierwsza drukarka 3D sprzedana

Jeśli chodzi chodzi o przenoszenie mocy lub dużych momentów obrotowych, rozwiązaniem pierwszego wyboru podczas projektowania maszyn rolniczych i budowlanych wciąż pozostaje układ hydrauliczny, pozwalający w przypadku ciśnienia roboczego do 400 barów osiągać ogromną gęstość mocy (wielkość mocy na jednostkę objętości lub powierzchni). Specjaliści w zakresie techniki zakładają, że mimo rozwoju napędów elektrycznych, układy hydrauliczne, zwłaszcza w maszynach o dużej mocy, dzięki większej gęstości mocy pozostaną niezastąpione.

Niepożądane straty mocy

W wypadku układów hydraulicznych pojawia się jednak istotny problem. Na zaworach, kolektorach i ogranicznikach przepływu układów sterowania dochodzi do strat objętościowych i spowodowanych tarciem, co pogarsza moc i wydajność. Firma Ernst Wagener Hydraulikteile z siedzibą w Hattingen (Nadrenia-Północna Westfalia), specjalizująca się w produkcji instalacji hydraulicznych przystosowanych do potrzeb użytkownika, od dawna usiłuje zmniejszyć do minimum straty w systemach hydraulicznych o coraz bardziej złożonej budowie. Możliwość zredukowania spadków ciśnienia, turbulencji i tarcia konstruktorzy dostrzegli w optymalizacji elementów pod kątem przepływu. Jednak wykonanie kanałów oleju hydraulicznego w blokach sterujących i rozdzielczych tradycyjną technologią poprzez wiercenie powoduje istotne ograniczenia.

– Ponieważ wiercone kanały można wykonywać tylko wzdłuż linii prostej, powstają rozgałęzienia i skrzyżowania odbiegające pod kątem ostrym, co jest niekorzystne z punktu widzenia przepływu – tłumaczy Jan Wagener, prezes firmy Ernst Wagener Hydraulikteile, który rozwiązanie problemu widzi w tzw. produkcji addytywnej, opartej na druku trójwymiarowym 3D. W tej metodzie elementów nie wytwarza się przez obróbkę skrawaniem, z użyciem frezarki czy wiertła, lecz materiał jest aplikowany warstwa po warstwie, zgodnie z cyfrowym projektem. Takie rozwiązanie zapewnia podczas projektowania produktów swobodę, o jakiej konstruktorzy mogli dotychczas jedynie pomarzyć. Druk 3D umożliwia wytwarzanie lekkich, a jednocześnie bardzo solidnych elementów, opartych na wzorcach znanych z natury, na przykład na szkielecie lub strukturze nośnej roślin. Stosowane są przy tym różne materiały, niezbędne do uzyskania odpowiedniej wytrzymałości elementów, co zapewnia wyraźne zmniejszenie ich masy.

Pierwsze addytywne

W ramach przygotowania i realizacji druku 3D firma z Hattinger współpracuje z włoskim przedsiębiorstwem Aidro Hydraulics, specjalizującym się w dziedzinie addytywnego wytwarzania elementów hydraulicznych. Pierwszy efekt współpracy partnerzy przedstawili podczas targów Agritechnica 2019. Jest to blok rozdzielacza hydraulicznego wyprodukowany z metalu, przy użyciu druku 3D, dla nowej prototypowej serii kombajnów. W porównaniu z rozdzielaczem wykonanym konwencjonalnie element „wydrukowany” jest wyraźnie mniejszy i lżejszy. – Zadanie polegało na wytworzeniu kolektora o identycznych parametrach roboczych i wydajności, ale o mniejszych wymiarach, co miało zapewnić oszczędność miejsca na przyłącza – tak Wagener opisuje wytyczne zleceniodawcy i producenta maszyn rolniczych.

Valeria Tirelli, prezes firmy Aidro, podkreśla, że swoboda formowania rozdzielacza od wewnątrz i na zewnątrz pozwala uniknąć ostrych kątów kanałów olejowych, dotychczas nieuniknionych w wypadku tradycyjnej produkcji, a prowadzących do strat ciśnienia. W elemencie otrzymanym z drukarki 3D kanały o odpowiedniej średnicy są bowiem zaokrąglone i przebiegają w sposób optymalny z punktu widzenia przepływu. 

Trójwymiarowe, gotowe do druku rysunki rozdzielacza w programie CAD przygotowała firma Aidro. Druk 3D również zrealizował partner włoski, z użyciem technologii bezpośredniego laserowego spiekania metalu (DMLS). W tej metodzie elementy powstają przy wykorzystaniu precyzyjnego lasera wytwarzającego energię cieplną, stapiającego (spiekającego) sproszkowany metal. Podobnie jak w przypadku wszystkich druków 3D, proces ten przebiega warstwowo. Po wykonaniu jednej warstwy następuje naniesienie kolejnej, cienkiej warstwy sproszkowanego metalu. Proces ten powtarza się do momentu zakończenia produkcji elementu. Prototypowy blok rozdzielacza hydraulicznego firmy Wagener wymaga około czterech godzin pracy. W zależności od potrzeb, do jego wykonania można zastosować proszek z aluminium, stali nierdzewnej lub stopów niklu. – Dokładna obróbka końcowa, w tym kontrola wymiarów przy użyciu skanowania 3D, wykończenie powierzchni i testy funkcjonalne elementów, zapewnia wysoką jakość produktu końcowego – przekonuje Valeria Tirelli.

Oszczędność czasu

Dzięki produkcji addytywnej i współpracy z Aidro, firma Ernst Wagener Hydraulikteile uzyskała dostęp do nowych, interesujących możliwości. – Przygotowanie często tylko nieznacznie zmodyfikowanego elementu, na przykład ze zmienioną średnicą kanału przepływu, w przypadku produkcji konwencjonalnej zajmuje tygodnie, a niekiedy nawet miesiące. Dzięki drukarce 3D zmiany takie można zrealizować w ciągu jednego dnia – wyjaśnia Jan Wagener. Uzyskana w ten sposób oszczędność czasu w pewnym stopniu równoważy wciąż stosunkowo wysoki koszt druku 3D. Prezes Wagener zakłada jednak poprawę ekonomiczną tej technologii w przewidywalnej przyszłości. Po uzyskaniu odpowiedniej licencji hydrauliczne części zamienne będą mogły wówczas wytwarzać w swoich drukarkach 3D np. serwisy maszyn rolniczych.

Wolfgang Rudolph i Bad Lausick
opracowanie Stefan Szolc